捕捉「時空的漣漪」折桂實至名歸

本報記者　沈湫莎　姜澎

　　「因為對LIGO探測器和觀測引力波的決定性貢獻」，三位美國科學家———加州理工學院教授基普·索恩、巴里·巴里什和麻省理工學院教授雷納·韋斯共同獲得2017年諾貝爾物理學獎。

　　瑞典皇家科學院這次作出的頒獎決定，被國際物理學界普遍認為「毫無懸念」。此前的預測中，引力波觀測就是大熱門。不久前，一篇涉及1000多位作者、100多家單位的引力波論文升級後重新發表，進一步提高了這一領域研究成果問鼎今年諾貝爾獎的呼聲。

　　引力波為宇宙探測打開了一扇窗，浩瀚宇宙的觀測只是剛剛開始。記者獲悉，中國科學家也正在推動引力波觀測「落地生根」。

　　引力波觀測為驗證廣義相對論提供重要證據

　　此次獲獎的三位科學家在去年2月　12日首次宣布，他們於2015年9月　14日通過美國激光干涉引力波天文台(LIGO)探測到來自13億光年外的兩個黑洞併合所產生的引力波。這是人類首次觀測到引力波的存在。

　　「三位科學家的獲獎毫不意外，他們使得在過去100年間備受爭議的引力波得到了證明，並且進一步驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性。」上海交通大學物理與天文學院鴻文講席教授季向東在接受記者採訪時說。

　　引力波，是由引力源的質量分布的改變引起的一種以光速傳播的振動。愛因斯坦認為，如果引力會造成時空彎曲，那麼引力波就是引力造成時空彎曲時帶來的副產品———「時空的漣漪」，彎曲的情況隨時間變化、在空間傳播。

　　引力波本身就是廣義相對論的預言產物。季向東說，廣義相對論提出的一個基本假設就是，把空間的三個維度和時間維度統一在一起的時空是具有彈性的。就算其中空無一物，時空也可發生振動，而這種振動就是引力波。

　　他舉例說，首次觀測到的引力波，是來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。

　　其後，2015年12月26日，今年1月4日和8月14日，LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

　　引力波天文學隨之開啟，人類研究宇宙有了新工具

　　「探測到引力波，更重要的意義還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新窗口，並且開啟了引力波天文學這一全新的學科。」復旦大學物理系教授施郁說，「未來我們觀測和研究宇宙有了新的工具，不再局限於光學望遠鏡、射電望遠鏡這類傳統的工具了。」

　　在這之前，人類關於宇宙的信息主要就是來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接信息。「包括黑洞，原先它只存在於科學家的理論推演中，現在LIGO通過直接探測引力波證明了黑洞的存在及其一些性質。」施郁說，引力波的觀測將會更加常態化，引力波天文學將會發展起來，其他引力波源，比如中子星併合、超新星爆發等也應該會被觀測到。

　　許多人把探測到引力波喻為宇宙尺度的浪漫相遇，但身在其中，科學家更需通力合作和堅持。不少科學家認為，LIGO的成功為實施大科學項目提供了更多經驗。

　　「這是一個不能錯失一秒的項目。」上海理工大學教授、國家「千人計劃」專家韓森說，因為每一秒鐘，觀測都有可能有新發現。韓森曾經是LIGO團隊的一員。迄今為止，已經有來自全球超過千名科學家參與到這個項目中來，涉及物理、天文、機械、激光、精密儀器等學科。

　　世界頂級課題必定是一次全球智慧的協作。現在，眾多科學家仍然在共同推動引力波探測向前發展，比如升級觀測靈敏度。目前，LIGO探測靈敏度已經直指10(負23次方)，韓森表示，第2.5代或者第3代LIGO已經在研發中，靈敏度優於目前的指標。

　　中國科學家正在推動引力波觀測「落地生根」

　　探測宇宙奧秘，吸引著全球眾多科學家的興趣。據悉，多個不同的引力波觀測項目也已在我國「落地生根」。

　　「激光干涉引力波天文台是目前最先進的引力波探測器。」中國工程院院士、上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授庄松林說，目前中國人自己製造激光干涉儀的時機已經成熟。早在2014年，他就牽頭在上海召開了一次推動我國引力波觀測走出理論、「落地生根」的論壇。

　　相較於LIGO在陸地觀測引力波，引力波的另一個「歸屬」在太空。太空的干擾更小，為此中國已經有了中國科學院發起的「太極計劃」和中山大學發起的「天琴計劃」，皆為尋找更加豐富的引力波源。

　　去年年底，中國還正式啟動了「阿里項目」。未來三到五年，在我國西藏阿里海拔5200米以上的地區，將建立起世界上最大規模的宇宙微波背景輻射探測器陣列，探測138億年前宇宙大爆炸時的「原初引力波」。該設施建成後，將與目前南極、智利的觀測窗口一起，組成全球探測網。

推薦閱讀：